火電廠鍋爐主蒸汽出口集箱堵閥焊縫裂紋的成因及防治

劉德勇，王玉

華能臨沂發(fā)電有限公司 山東臨沂 276000

1 序言

某公司5～7號機組鍋爐為上海鍋爐廠設(shè)計制造的型號為SG-435/13.7-M765的煤粉爐，具有超高壓、中間一次再熱、單汽包自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、П型露天布置、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣方式及全鋼雙排柱構(gòu)架等特點。這三個機組鍋爐分別于2003年4月、2003年9月、2005年4月投產(chǎn)，其中5號鍋爐已累計運行超過124500h。

這些機組鍋爐的主蒸汽出口集箱材質(zhì)為12C r1M o V G鋼，主蒸汽管道堵閥閥體材質(zhì)為ZG20CrMoV，主蒸汽管道材質(zhì)為12Cr1MoVG鋼（規(guī)格為φ273mm×28mm），工作溫度為540℃、壓力為13.7MPa。12Cr1MoVG鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上以少量V代替部分Cr、Mo等元素而形成的，具有較好的持久強度、塑性、抗高溫氧化性，無熱脆性且焊接性較好，被廣泛應(yīng)用于制造火力發(fā)電機組中的集箱、蒸汽管道、過熱器和再熱器等部件[1，2]。ZG20CrMoV是一種熱強性較好的低合金耐熱型鑄鋼，具有較好的熱強性和組織穩(wěn)定性，但焊接性較差，主要用于制造火力發(fā)電機組中的主蒸汽彎管等管道部件[3]。

火電廠的主蒸汽管道是發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)中聯(lián)接鍋爐和蒸汽機的重要部件，具有蒸汽輸送溫度與壓力高、輸送管路長、管道口徑大等特點。主蒸汽管道的安全運行將直接關(guān)系到電力設(shè)備的安全運行，一旦出現(xiàn)安全問題其后果不堪設(shè)想。主蒸汽管道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不十分復(fù)雜，但對管道選用的材質(zhì)、設(shè)計等具有嚴格要求。

然而，2012年對7號機組檢修時，發(fā)現(xiàn)7號爐主蒸汽堵閥閥體存在裂紋，并進行了堵閥更換。2021年對6號機組主蒸汽出口集箱堵閥閥體及焊縫進行無損檢測時，發(fā)現(xiàn)堵閥兩側(cè)焊縫存在裂紋，并進行了挖補處理。近期檢修5號機組時，對主蒸汽出口集箱堵閥閥體及焊縫進行了檢測，發(fā)現(xiàn)A側(cè)主蒸汽管道堵閥右側(cè)焊縫（H2）下部、B側(cè)主蒸汽管道堵閥兩側(cè)焊縫（H3、H4）下部均存在裂紋，如圖1所示。裂紋均位于焊縫與閥體側(cè)的熔合線部位。本文將針對此裂紋，結(jié)合材質(zhì)分析、顯微硬度測試、金相觀察等手段，綜合研判裂紋的成因及類型，并提出裂紋的防治措施。

圖1 焊縫H2、H3、H4裂紋位置示意

2 裂紋形貌及現(xiàn)場處理

2.1 裂紋形貌

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，該焊縫與閥體側(cè)母材連接有約10mm高的臺階，形成近似垂直的夾角。焊縫H2裂紋的形貌如圖2～圖4所示。對上述3處裂紋進行打磨，配合滲透檢測，挖除后測量長度和深度，獲得裂紋的具體尺寸，見表1。3處裂紋的長度分別約為425mm、570mm和450mm。

表1 裂紋尺寸檢測結(jié)果 （mm）

圖2 主蒸汽出口集箱A側(cè)堵閥

圖3 焊縫H2底部裂紋

圖4 焊縫H2裂紋（打磨）局部

2.2 裂紋現(xiàn)場處理

（1）裂紋打磨 針對H2、H3、H4焊縫裂紋，沿著焊縫進行打磨消除。其中，H2焊縫裂紋打磨深度約16mm，H4焊縫裂紋打磨深度約18mm，滲透檢測裂紋均消除；H3焊縫爐后側(cè)下部45°部位打磨深度約24mm，發(fā)現(xiàn)幾乎貫穿仍存有裂紋，打磨長度超過570mm。

（2）挖補及焊接 根據(jù)現(xiàn)場情況，編制5號鍋爐主蒸汽出口集箱堵閥焊縫裂紋清除及焊補作業(yè)指導(dǎo)書，對H2和H4焊縫進行補焊處理。焊接前對清除區(qū)域進行滲透檢測，確認裂紋徹底消除。補焊前按照作業(yè)指導(dǎo)書預(yù)熱，焊后進行熱處理，且在熱處理后對補焊區(qū)域進行打磨圓滑至正常焊縫狀況，經(jīng)磁粉和硬度檢測合格。因H3焊縫已經(jīng)貫穿，且長度超過3/4圓周，所以采取割除該焊縫，重新焊接后熱處理。施焊前將原焊接材料打磨干凈，經(jīng)滲透檢測確認兩側(cè)坡口處無裂紋。焊接前按照作業(yè)指導(dǎo)書預(yù)熱，焊后進行熱處理。且在熱處理后對閥體及焊縫進行磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋等超標缺陷。

（3）熱處理后硬度檢測 完成熱處理后，采用里氏硬度計對主蒸汽出口集箱、堵閥閥體、焊縫及主蒸汽管道進行現(xiàn)場硬度檢測，結(jié)果見表2，均符合標準要求。

表2 硬度檢測結(jié)果 （HL）

3 裂紋成因及類型

通過對裂紋周邊部件的結(jié)構(gòu)、組織及性能進行分析，探究裂紋產(chǎn)生的原因?；诹鸭y的顯著特征，綜合研判出裂紋的類型。

3.1 裂紋成因

（1）焊接結(jié)構(gòu) 通過現(xiàn)場查看，5號爐主蒸汽出口集箱堵閥與大小頭、堵閥與管道在結(jié)構(gòu)上均存在較明顯的壁厚差，如圖5所示。雖然焊接坡口時進行了過渡處理，但是閥體側(cè)缺少過渡直段，焊縫與坡口斜面夾角較小，因此極易形成應(yīng)力集中。根據(jù)DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》對焊接接頭坡口形式的要求，當(dāng)兩側(cè)壁厚不等時，應(yīng)采取的處理措施如圖6所示。

圖5 大小頭與閥體對接結(jié)構(gòu)

圖6 對接結(jié)構(gòu)兩側(cè)外壁尺寸不等時的設(shè)計方案

由于該焊縫為現(xiàn)場安裝焊接，焊縫里氏硬度檢測存在局限性，所以不能完全反映焊縫端角的情況。壁厚差導(dǎo)致焊接應(yīng)力無法完全消除，端角部位的熔合線粗晶區(qū)成為薄弱點，因此長期運行后將成為裂紋源[4]。主蒸汽出口集箱兩側(cè)堵閥閥體焊縫對接形式，不符合DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》關(guān)于不等厚對接的要求，在焊縫處容易造成應(yīng)力集中。

（2）管系布置 在運行過程中，由于主蒸汽出口集箱鋼性吊架上部為大板梁限制上下位移，主蒸汽兩側(cè)彈簧吊架自由膨脹，兩側(cè)主汽管系與集箱膨脹不能同步，導(dǎo)致焊縫底部受拉應(yīng)力，最終在應(yīng)力最大的焊縫端角開裂，并逐漸擴展延伸，導(dǎo)致失效[5]。

（3）壁厚測量 使用超聲波測厚儀，實測主蒸汽出口集箱筒體壁厚為51mm，集箱大小頭壁厚為50mm，大小頭與堵閥對接管車削后壁厚為28mm，堵閥閥體壁厚為50mm。堵閥與大小頭相接時，堵閥接口處外徑未做過渡段處理。

（4）材質(zhì)分析 采用便攜式合金分析儀對主蒸汽出口集箱、主蒸汽管母材、焊縫及堵閥閥體母材等材質(zhì)進行復(fù)核，均符合原設(shè)計要求。各部位主要化學(xué)成分見表3。

表3 各部位材質(zhì)主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

（5）硬度檢測 使用硬度計對主蒸汽出口集箱、堵閥閥體、焊縫、主蒸汽管道進行現(xiàn)場硬度檢測，結(jié)果見表4。根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對硬度的要求，12Cr1MoVG鋼管為135～195HBW，管件為130～197HBW，ZG20CrMoV鑄件為140～220HBW。由表4可知，上述部件硬度均處于合格范圍。A側(cè)閥體兩側(cè)焊縫硬度分別為212HBW和233HBW（集箱側(cè)）；B側(cè)閥體兩側(cè)焊縫硬度分別為239HBW和212HBW（集箱側(cè)），符合DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》對焊縫硬度的要求。

表4 硬度檢測結(jié)果 （HL）

（6）金相檢測 采用現(xiàn)場金相覆膜方法觀察各位置金相組織。焊縫顯微組織為回火貝氏體和網(wǎng)狀鐵素體，大小頭側(cè)母材顯微組織為鐵素體和珠光體，堵閥側(cè)母材顯微組織為貝氏體和少量鐵素體，金屬組織均正常。集箱母材和堵閥閥體的金相組織分別如圖7、圖8所示。

圖7 集箱母材金相組織

圖8 堵閥閥體金相組織

（7）吊掛支撐部件檢查 對5號鍋爐主蒸汽出口集箱和主蒸汽管道的支吊架、吊耳進行現(xiàn)場檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的偏斜、變形等現(xiàn)象。

3.2 裂紋類型

通過對裂紋的形貌觀察及成因分析，發(fā)現(xiàn)上述裂紋為再熱裂紋。主要依據(jù)如下幾個顯著特征。

1）裂紋產(chǎn)生部位均位于近縫區(qū)的粗晶粒區(qū)域，裂紋均是大體沿著熔合線方向在晶粒邊界擴展。

2）工作溫度540℃正好處于再熱裂紋的敏感溫度區(qū)間。再加熱溫度與再熱裂紋生成傾向的關(guān)系如圖9所示[6]。由圖9可看出，再加熱溫度為500～700℃時極易產(chǎn)生再熱裂紋。再加熱溫度與再熱裂紋時的沿晶斷口百分率之間的關(guān)系如圖10所示[6]。由圖10可看出，再加熱溫度為400～750℃時極易產(chǎn)生沿晶斷裂。

圖9 再加熱溫度與再熱裂紋生成傾向的關(guān)系[6]

圖10 再加熱溫度與再熱裂紋沿晶斷口百分率的關(guān)系[6]

3）集箱與大小頭、堵閥與管道在結(jié)構(gòu)上均存在較大的壁厚差。由于閥體側(cè)缺少過渡直段，焊縫與坡口斜面夾角較小，所以極易形成應(yīng)力集中。而再熱裂紋的產(chǎn)生必須有殘余應(yīng)力和應(yīng)變作為先決條件，在應(yīng)力集中部位最易產(chǎn)生再熱裂紋。

在接頭服役過程中，不斷承受540℃等溫度的再次加熱，從而發(fā)生應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛將會導(dǎo)致焊縫周圍晶界局部的實際塑性應(yīng)變量超過塑性形變能力，最終產(chǎn)生裂紋。

4 裂紋防治措施

1）擇機更換堵閥。閥體到焊縫應(yīng)存在過渡的直管段，使接頭形式符合規(guī)范要求。堵閥未更換前，應(yīng)加強對該部位的監(jiān)督檢查工作，利用機組檢修或調(diào)停對堵閥兩側(cè)焊縫進行磁粉或滲透檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

2）結(jié)合檢修，對該管系的支吊架、支座進行檢查，發(fā)現(xiàn)偏斜、變形、斷裂等情況要及時聯(lián)系專業(yè)人員進行維修調(diào)整。

3）舉一反三，對其他機組的該部位及存在結(jié)構(gòu)突變的閥門兩側(cè)焊縫進行全面排查，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理時要及時整改。

4）在管道施工中嚴格執(zhí)行焊接工藝要求，高度重視焊接及熱處理質(zhì)量，避免應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性。

此外，在材料、結(jié)構(gòu)形式等無法更改的前提下，只能通過調(diào)整工藝來改善抗再熱開裂的性能。具體而言，適當(dāng)提高焊接熱輸入、減小過熱區(qū)硬度；適當(dāng)降低焊縫強度以提高其塑性形變能力，減輕近縫區(qū)塑性應(yīng)變的集中程度；在焊后熱處理之前，利用鎢極氬弧焊等手段對焊縫表層進行一次重熔，從而減少接頭殘余應(yīng)力；實際施工中，盡量消除應(yīng)力集中源，避免產(chǎn)生咬邊和未焊透等缺陷。以上這些工藝措施均有利于降低再熱開裂的敏感性。

5 結(jié)束語

本文分析了火電廠鍋爐主蒸汽出口集箱處堵閥焊縫裂紋產(chǎn)生的原因并提出了防治措施。集箱與大小頭、堵閥與管道在結(jié)構(gòu)上存在的較大壁厚差，閥體側(cè)缺少過渡直段造成的應(yīng)力集中，以及吊架膨脹不同步等成為裂紋的誘因。采用擇機更換堵閥、舉一反三全面排查等手段可以消除裂紋帶來的隱患。后期可考慮采取適當(dāng)提高焊接熱輸入、降低焊縫強度、對焊縫表層進行重熔等手段，來防止此類裂紋的產(chǎn)生。